Исследование отражения электромагнитных волн от поверхностей различных типов Цель работы

1. Исследование свойств электромагнитных волн различной поляризации при наклонном падении на плоскую поверхность с различными электрическими параметрами.

2. Исследование отражающих и экранирующих свойств металличес ких решеток из параллельных проводов.

Методические указания по самостоятельной подготовке

На практике распространение радиоволн происходит в средах с различными, часто резко отличающимися электрическими параметрами, границы раздела между которыми могут располагаться произвольным образом по отношению к направлению распространения электромагнитной волны. При этом падающая на границу раздела электромагнитная волна будет частично отражаться, а частично преломляться во вторую среду (рис. 4.1).

Напомним, что плоскостью распространения (падения) называется плоскость, перпендикулярная к поверхности раздела сред и проходящая через направление распространения падающей волны. Электромагнитная волна с вектором , лежащим в плоскости распространения, называется параллельно или вертикально поляризованной волной. Если вектор  перпендикулярен плоскости распространения, волна называется нормально или горизонтально поляризованной.

Углом падения _пад (отражения _отр) называется угол между нормалью к границе раздела и направлением распространения падающей (отраженной) волны. Углы _пад и _отр (рис. 4.1) называются углами скольжения, а угол _пр — углом преломления.

Отражение и преломление электромагнитной волны любой поляризации на границе раздела двух сред подчиняются известным из курса физики первому и второму законам Снеллиуса, которые могут быть представлены соответственно в виде

где n₁ и n₂ — коэффициенты преломления соответственно первой и второй сред. Если среды немагнитные (=1), то  где ₁ и ₂ — диэлектрические проницаемости сред.

Для характеристики отраженной и преломленной волн пользуются понятиями коэффициента отражения и коэффициента преломления , которые определяются выражениями

где   — комплексные амплитуды напряженностей электрического поля соответственно отраженной, преломленной и падающей волн. Эти коэффициенты называются также коэффициентами Френеля и имеют различные значения для волн нормальной и параллельной поляризаций.

На рис. 4.2 показана зависимость модуля и фазы коэффициента отражения от угла скольжения для волн параллельной и нормальной поляризаций, падающих на границу раздела воздух-диэлектрик (пунктир) и воздух-полупроводник (сплошная линия).

Из графиков следует, что при малых углах скольжения _пад = 0 для любой поляризации амплитуда отраженной волны приближается к амплитуде падающей, а фаза при отражении скачком изменяется на 180 °. При нормальном падении волны на границу раздела = /2 модули коэффициентов отражения при нормальной и параллельной поляризации равны |R_| = |R _|||. Для всех промежуточных углов (0 <  < /2) |R_| > |R _|||.

Модуль коэффициента отражения нормально поляризованной волны монотонно уменьшается с ростом угла скольжения, при этом отраженная волна всегда существует (R_0). Для параллельно поляризованной волны существуют углы скольжения _Б, при которых отраженная волна имеет минимальное значение, а при отражении от идеального диэлектрика отраженная волна отсутствует(R_||=0). Этот угол называется углом полного преломления или углом Брюстера _Б. При распространении падающей волны в воздухе (₁=1)

₂ = tg²_Б . (4.5)

Если отражающая поверхность является идеально проводящей, то при любых углах падения и любой поляризации происходит полное отражение.

В целях уменьшения массы и парусности на практике в качестве отражающих и экранирующих поверхностей широко используются решетчатые конструкции. При исследовании отражающих и экранирующих свойств решетки следует учитывать, что в том случае, когда вектор волны перпендикулярен проводникам решетки, ЭДС в проводниках не наводится и решетка практически не влияет на распространение электромагнит ных волн. Если вектор  волны параллелен проводникам решетки, в них будет наводится ЭДС и, следовательно, протекать токи проводимости. Эти токи создадут вторичное излучение, которое приводит к появлению отраженной волны. Чем меньше расстояние между проводниками и чем больше поперечные размеры проводников по сравнению с длиной волны, тем эффективнее влияет решетка на распространение электромагнитных волн.

Экранирующие и отражающие свойства решетки можно оценить по коэффициенту отражения R, а также по коэффициенту прохождения N волны через решетку. Коэффициент прохождения определяется по полю или по мощности соответственно с помощью соотношений

, (4.6)

где Е и Р — напряженность поля и мощность за решеткой, Е₀ и Р₀ — напряженность поля и мощность при отсутствии решетки.